Генератор тока схема. Генератор тока на основе операционного усилителя: принцип работы, схемы и применение

Как работает генератор тока на основе операционного усилителя. Какие существуют схемы генераторов тока на ОУ. Где применяются источники стабильного тока на операционных усилителях. Какие преимущества и недостатки у генераторов тока на ОУ.

Принцип работы генератора тока на операционном усилителе

Генератор тока на основе операционного усилителя (ОУ) — это электронная схема, позволяющая создать источник стабильного тока. Основной принцип работы такого генератора заключается в использовании отрицательной обратной связи ОУ для поддержания постоянного тока через нагрузку.

Как работает генератор тока на ОУ:

1. На инвертирующий вход ОУ подается напряжение обратной связи с резистора, включенного последовательно с нагрузкой.
2. На неинвертирующий вход подается опорное напряжение.
3. ОУ стремится уравнять напряжения на входах, изменяя выходное напряжение.
4. При изменении сопротивления нагрузки ОУ корректирует выходное напряжение, поддерживая постоянный ток.

Таким образом, операционный усилитель автоматически регулирует выходное напряжение для поддержания заданного тока через нагрузку независимо от ее сопротивления.

Основные схемы генераторов тока на операционных усилителях

Существует несколько базовых схем генераторов тока на ОУ:

Инвертирующая схема генератора тока

В этой схеме нагрузка подключается к инвертирующему входу ОУ через токозадающий резистор. Ток через нагрузку определяется формулой:

I = Uвх / R

где Uвх — входное напряжение, R — сопротивление токозадающего резистора.

Неинвертирующая схема генератора тока

Здесь нагрузка подключается к выходу ОУ, а обратная связь снимается с токозадающего резистора. Формула тока такая же, как в инвертирующей схеме.

Схема с заземленной нагрузкой

В этой схеме нагрузка подключается между выходом ОУ и общим проводом. Ток определяется выражением:

I = (Uпит — Uвх) / R

где Uпит — напряжение питания ОУ.

Преимущества генераторов тока на операционных усилителях

Генераторы тока на ОУ имеют ряд преимуществ по сравнению с другими схемами:

• Высокая стабильность выходного тока
• Широкий диапазон регулировки тока
• Низкое выходное сопротивление
• Возможность работы на высоких частотах
• Простота схемы и настройки

Эти преимущества делают генераторы тока на ОУ востребованными во многих приложениях.

Области применения источников стабильного тока на ОУ

Генераторы тока на операционных усилителях широко используются в различных областях электроники и измерительной техники:

• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Прецизионные источники тока в измерительных приборах
• Схемы смещения в усилителях
• Схемы тестирования электронных компонентов
• Источники тока для светодиодов
• Генераторы линейно-изменяющегося напряжения

Во всех этих применениях генераторы тока на ОУ обеспечивают высокую стабильность и точность задания тока.

Ограничения и недостатки генераторов тока на операционных усилителях

Несмотря на преимущества, генераторы тока на ОУ имеют некоторые ограничения:

• Ограниченный диапазон выходных токов (обычно не более 100 мА)
• Необходимость двухполярного питания для большинства схем
• Влияние входных токов и напряжения смещения ОУ на точность
• Возможность самовозбуждения на высоких частотах
• Сложность обеспечения высоких напряжений на нагрузке

Эти недостатки ограничивают применение простых генераторов тока на ОУ в мощных и высоковольтных схемах.

Способы улучшения характеристик генераторов тока на ОУ

Существует несколько методов улучшения параметров генераторов тока на операционных усилителях:

• Использование прецизионных ОУ с малыми входными токами
• Применение составных транзисторов в выходном каскаде
• Введение температурной компенсации
• Использование каскодных схем для повышения выходного сопротивления
• Применение схем с обратной связью по току

Эти методы позволяют создавать генераторы тока с улучшенными характеристиками для специальных применений.

Практические схемы генераторов тока на операционных усилителях

Рассмотрим несколько практических схем генераторов тока на ОУ:

Простой генератор тока на ОУ

Эта схема позволяет получить ток до 20 мА при напряжении питания ±15 В:

• ОУ: LM358
• R1: 10 кОм
• R2: 1 кОм
• Uвх: 0-2 В

Ток нагрузки: I = Uвх / R2

Генератор тока с расширенным диапазоном

Эта схема обеспечивает ток до 100 мА:

• ОУ: LM358
• R1: 100 Ом
• R2: 10 Ом
• Q1: BD139
• Uвх: 0-1 В

Ток нагрузки: I = Uвх / R2

Заключение

Генераторы тока на операционных усилителях представляют собой эффективное решение для создания источников стабильного тока в широком диапазоне применений. Понимание принципов их работы и основных схем позволяет разрабатывать точные и надежные источники тока для различных электронных устройств.

Источник стабильного тока от 5 мкА до 20 мА / Хабр

Источник стабильного тока понадобился автору для отладки схем на биполярных транзисторах, которые, как известно, управляются током. Важное требование к нему — изоляция общего провода прибора от общего провода отлаживаемого устройства, поэтому источник питания пришлось взять автономный. Встроенный четырёхразрядный микроамперметр с автоматическим переключением пределов позволяет немного уменьшить количество аппаратуры, одновременно размещаемой на столе экспериментатора.

Идея схемы взята отсюда. Собственно источник стабильного тока устроен так:

Сопротивление резистора R1 некритично, нужно только, чтобы ток базы транзистора Т1 полностью открывал его. Коэффициент передачи тока транзистора BC559C — около 500, верхний предел регулировки тока у источника — 20 мА, значит, 200 мкА через базу — более чем достаточно. Резистор в 10 кОм обеспечит около 1 мА при 10 В, в принципе, можно увеличить его даже до 50 кОм.

Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одинаковыми, но при больших токах параметры Т1 всё равно будут немного «уплывать» из-за небольшого нагрева.

Ток, подаваемый устройством во внешнюю цепь, определяется суммарным сопротивлением резисторов R3 — R5. Их функции: R3 — ограничение тока в случае, если оба переменных резистора вывернуты «в нуль», R4 — точная регулировка тока, R5 — грубая. Ток рассчитывается по формуле I=0.7/(R3+R4+R5), поэтому, например, если резистор R3 взять сопротивлением в 27 Ом, верхний предел регулировки тока составит 0.7/27=25,9мА. На практике получилось 21,6 мА, поскольку падение напряжения на транзисторе Т2 оказалось меньше — около 0,6 В.

Полная схема устройства:

«Крона» питает источник стабильного тока, два элемента ААА — четырёхразрядный микроамперметр. Поэтому выключатель питания взят с двумя нормально разомкнутыми группами контактов. Переключатель S1 позволяет отключить верхнюю клемму и замкнуть источник тока накоротко, чтобы настроить его заранее, до подключения к отлаживаемой схеме.

Параметры на практике получились следующими: максимальный ток — 21,6 мА, максимальный ток при «грубом» регуляторе, вывернутом «в нуль» — 0,3 мА, минимальный — 4,7 мкА. Правда, встроенный микроамперметр меньше 10 мкА не показывает, поэтому внешний иногда может и потребоваться. Выставленный ток остаётся практически неизменным при изменении напряжения на внешней цепи от 0 до 8 В.

Микроамперметр сделан из мультиметра с автоматическим переключением пределов JT-033A фирмы SHENZHEN JINGTENGWEI INDUSTRY CO.,LTD: переключатель режимов удалён, вместо него впаяны перемычки, заставляющие его всегда работать в режиме измерения тока.

Расположение компонентов в корпусе следующее:

Jim сделал симуляцию схемы в Falstad, автор её немного переработал для отображения большего количества параметров, получилось:

$ 1 0.000005 7.619785657297057 65 5 50
t 224 240 176 240 0 -1 0.6771607865907852 -0.5873050244463638 500
t 256 272 304 272 0 -1 1.8738439949380101 -0.6771607865907852 500
r 176 304 176 400 0 10000
v 80 288 80 192 0 0 40 9 0 0 0.5
w 176 304 176 272 3
w 176 272 176 256 0
w 176 224 176 32 1
w 176 32 80 32 0
w 80 32 80 192 0
w 80 288 80 400 0
w 80 400 176 400 3
w 176 400 304 400 0
w 304 336 304 288 3
w 304 240 224 240 1
174 304 128 352 48 0 5000 0.9950000000000001 Resistance
w 176 32 304 32 2
w 304 256 304 240 0
w 304 240 304 208 2
w 304 128 336 128 0
w 352 80 352 128 0
w 352 128 336 128 0
w 256 272 176 272 1
w 304 128 304 208 1
r 304 336 304 400 0 250

Результат симуляции:

А вот результат симуляции при сопротивлении резистора R1 в 100 кОм:

⚡️Генератор тока повышенной мощности | radiochipi.ru

На чтение 7 мин. Опубликовано

02.12.2017 Обновлено 07.07.2019

Для проверки работоспособности и настройки источников питания, стабилизаторов напряжения постоянного тока, измерения ёмкости аккумуляторных батарей, зарядки аккумуляторов стабильным током и в других случаях необходим мощный генератор стабильного тока.

Схема мощного генератора стабильного тока, собранного на биполярных транзисторах, с использованием отечественных комплектующих, показана на сайте смотрите рис.1. Устройство для своей работы не требует дополнительного источника питания, имеет защиту от перегрузки и переполюсовки входного напряжения. Диапазон входных напряжений устройства 3…75В постоянного тока, максимальная рассеиваемая мощность 150 Вт, максимальный рабочий ток 10 А. Такой генератор пригодится также для регулировки тока осветительных или нагревательных устройств.

Конструкция содержит встроенные аналоговые амперметр и вольтметр. Вход устройства подключают к источнику напряжения постоянного тока в соответствии с указанной полярностью. Плавкий предохранитель FU1 защищает конструкцию и источник питания от перегрузки. Диод VD1 защищает генератор тока нагрузки от переполюсовки напряжения питания. На высоковольтных транзисторах VT1, VT2, резисторах R4, R5, R6 и светодиоде HL2 собран индикатор наличия входного напряжения. Транзисторы этого узла включены как генератор стабильного тока около 1.5 мА, который будет протекать через светодиод HL2, практически не изменяясь от изменения входного напряжения в несколько раз.

Регулируемый генератор стабильного тока собран на транзисторах VT3-VT8. Регулируют ток переменным резистором R13. Генератор тока имеет два диапазона регулировки потребляемого тока: при разомкнутых контактах SA1 ток можно регулировать в диапазоне 0.2…1.5А; при замкнутых контактах SA1 потребляемый ток регулируется в диапазоне 1.5…10 А. Транзисторы VT3, VT5, VT6-VT8 включены как мощный составной транзистор с большим коэффициентом усиления по току. Маломощный транзистор VT4 управляет величиной тока, потребляемого устройством. При перемещении движка переменного резистора R13 вверх по схеме, протекающий через транзисторы VT3, VT5, VT6-VT8 ток увеличивается.

Транзисторы VT6-VT8 для увеличения нагрузочной способности включены параллельно, их выводы эмиттеров подключены к минусовому проводу питания через мощные токовыравнивающие резисторы R15-R17. Стабилизация тока осуществляется следующим образом: например, при увеличении входного напряжения, ток через транзисторы VT6-VT8, резисторы R15-R17, резистор R14 и, при замкнутых контактах SA1, через резисторы R18-R20 стремится увеличиться. Следовательно, увеличивается падение напряжения на выводах резистора R14.

Это ведёт к тому, что также возрастает ток база- эмиттер VT4, этот транзистор открывается сильнее и шунтирует переход база-эмиттер транзистора VT3. Ток коллектор-эмиттер VT3 уменьшается, следовательно, будет уменьшаться ток через переходы транзисторов VT5-VT8.

Конденсатор С1 и резистор R8 предотвращают самовозбуждение узла на транзисторах VT3-VT8. Резистор R10 защитный для транзистора VT4. РА1 – стрелочный амперметр со встроенным шунтом. Если на его месте будет применён миллиамперметр без встроенного шунта, то дополнительно устанавливают мощный резистор R2.

РА1 – вольтметр со встроенным токоограничительным резистором. Если на его месте будет применён микроамперметр без встроенного резистора, то устанавливают дополнительный резистор R3. На резисторе R1, диодах VD1-VD4 и светодиоде HL1 собран индикатор перегорания плавкого предохранителя FU1. При зарядке аккумулятора последний включается последовательно с амперметром РА 1, т.е. в разрыв провода «+» от внешнего источника питания.

Конструкция и детали. Большинство деталей конструкции смонтировано на плате размерами 150×95 мм навесным монтажом (рис.2). Все сильноточные цепи должны быть выполнены медным монтажным проводом с сечением по меди не менее 1.5 мм². Все детали устройства смонтированы в корпусе размерами 255x150x110 мм (рис.3). Маломощные постоянные резисторы типов МЛТ, РПМ, С1-4, С2-23, С2-33. Переменный резистор R13 проволочный ППБ-ЗА, ППБ-1А сопротивлением 100…220 Ом. Качество переменного резистора должно быть безупречным, поскольку при плохом контакте подвижного контакта ток через генератор тока неконтролируемо увеличится.

Мощный резистор R14 типа С5-37 мощностью 10 Вт, под корпусом этого резистора в монтажной плате просверлены вентиляционные отверстия диаметром 5 мм. Вместо такого резистора подойдут другие проволочные мощностью 10 или 15 Вт, например, С5-35В-10, ПЭВ-10, 1ПЭВ-10. Резисторы R18-R20 самодельные проволочные, намотаны высокоомным проводом диаметром 0.68 мм на керамических трубках длиной 45 мм и диаметром 8 мм, можно использовать керамические трубки большего размера.

Для уменьшения количества межвитковых замыканий самодельные проволочные резисторы промазаны силикатным клеем. Вместо этих резисторов можно установить проволочные резисторы промышленного изготовления мощностью 15…25Вт, например, ПЭВ-20, ПЭВ-25 или удвоенное количество резисторов С5-37-10 сопротивлением 2.4 Ом. Под этими резисторами в монтажной плате также просверливают вентиляционные отверстия.

Регистры R15-R17 самодельные проволочные с одинаковым сопротивлением 0.1…0.25 Ом, по конструкции аналогичны резисторам R18-R20, установлены рядом с мощными транзисторами на дополнительной монтажной планке. Явно избыточная мощность постоянных проволочных резисторов необходима для того, чтобы уменьшить их нагрев, тем самым, повысив стабильность их сопротивления.

Конденсатор С1 плёночный импортный на рабочее напряжение не менее 100 В, можно заменить конденсатором типа К73-15, К73-16. К73-17, К73-24, К73-9. Маломощные диоды КД522А можно заменить любыми из серий КД503, КД510, КД521, 1 N914, 1N4148. Диод Д215 можно заменить любым из Д214, Д231А, Д232, Д242, Д242А, Д243, Д243А, серий КД203, 2Д203, КД206, 2Д213, КД213, 2Д231, HFA15PB60, HFA16TA60C и другими выпрямительными на обратное рабочее напряжение не менее 100 В и прямой рабочий ток не менее 10 А.

Светодиоды любого типа общего применения, желательно с повышенной светоотдачей, например, из серий КИПД21, КИПД36, КИПД40, КИПД66. Транзисторы КТ940Б можно заменить любыми из серий КТ940, КТ969, КТ9179, 2SC2330, 2SC2383, 2SC2310. Вместо транзистора КТ851А можно установив КТ851Б, КТ851В. КТ816Г, КТ8167А, КТ8167Г, 2SA1249, 2SA1306 с коэффициентом передачи тока базы не менее 100 при токе коллектора 50 мА. Этот транзистор установлен на дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждения 6 см² (одна сторона).

Транзистор КТ850А можно заменить КТ850Б. КТ850В, КТ863В, КТ817Г, 2SD1407, 2SD1474, 2SD669A с коэффициентом передачи тока базы не менее 80 при токе коллектора 1 А. Этот транзистор установлен на дюралюминиевый теплоотвод размерами 50x45x3 мм. Транзисторы КТ808АМ можно заменить другими аналогичными, выполненными в металлостеклянном корпусе КТ-9 (ТО-3), например, тремя однотипными КТ808БМ, КТ808ВМ, КТ808А, КТ819ГМ, КТ864А, 2N3442, 2N3773, MJ3281 с коэффициентом передачи тока базы не менее 40 при токе коллектора 3 А.

Эти транзисторы установлены на общий массивный ребристый дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности около 800 см² (одна сторона). Корпуса транзисторов изолированы от теплоотвода тонкими слюдяными прокладками. С таким теплоотводом генератор тока может рассеивать непрерывно до 60 Вт мощности при пассивном воздушном охлаждении или до 150 Вт кратковременно или при принудительном воздушном охлаждении с помощью вентилятора. Из этого следует, например, что при входном напряжении 37В максимальный постоянный ток не должен превышать 4А.

Этот теплоотвод также выполняет функцию задней стенки корпуса. Лучшим выбором в качестве мощных транзисторов VT6-VT8 будут транзисторы типа MJ3281A, которые имеют максимальную рассеиваемую мощность до 250 Вт каждый и гарантированный минимальный коэффициент передачи тока базы не менее 45 при токе коллектора 8 А.

Транзистор КТ3107Г можно заменить любым из серий КТ502, КТ3107, КТ361, SS9015, 2SB1116. Амперметр и вольтметр применены готовые типа М4200 со встроенными резисторами и готовыми шкалами. Кнопка SA1 типа KDC-A04-1 с зависимой фиксацией положения, можно заменить аналогичной с переключаемыми контактами, рассчитанными на коммутацию тока 10 А или более.

Свободные группы контактов соединяют параллельно. От сопротивления резистора R12 зависит максимальная величина тока, который можно установить переменным резистором. Внешний вид устройства показан на фото в начале статьи. Верхняя и нижняя крышки корпуса – металлические с вентиляционными отверстиями, с электрическими цепями устройства не соединены.

При проверке работоспособности следует учитывать, что измерительные щупы цифровых мультиметров, несмотря на значительную внешнюю толщину проводов, могут иметь крайне малое сечение провода по меди и значительно влиять на результаты измерений при токе более 1 А и низком выходном напряжении источника питания.

Источники тока на операционных усилителях, схемы и расчёты

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой I_н≈ U_вх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину I_н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×β/[R1(1+β)].
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: I_н≈ (Еп-U_вх)/R1.
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости I_н≈ U_вх/R1, а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

 

Генератор тока в зарядном устройстве.

РадиоКот >Схемы >Питание >Зарядные устройства >

Генератор тока в зарядном устройстве.

Есть различные способы зарядки автомобильных аккумуляторов (см. Интернет), но поскольку автор данной статьи не специалист в данной области, был выбран следующий: зарядка током постоянной величины.
За основу была принята схема из «В помощь радиолюбителю» №91, с. 53. Привожу схему и текст:

«Схема простого мощного источника тока для зарядного устройства показана на рис. 14. Здесь R4 — токо-измерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки Iн= dU/R4 = 5 А устанавливается примерно при среднем положении движка резистора R1. При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение Uвх>18 В без учета пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18″.
Замечание по схеме: после ее сборки оказалось, что выводы 4 и 5 необходимо поменять местами. Зарядный ток регулировался от 0 до 8А. Плавность и пределы регулировки зависят от величин R1, R2, R4.
Далее, в разрыв между выводом 6 и общим проводом был включен транзистор (рис. 1).

Это дает возможность управлять зарядкой по времени, подавая на базу соответствующий уровень сигнала. Для этого предназначен узел управления (рис. 2).

Это кусок схемы электронных часов. Практически схема работает так: 9 секунд на УпрА1 высокий уровень, а на УпрА2 низкий, затем 1 секунду — наоборот. Это если вывод 13 К176ИЕ8 подключен к выводам 7 и 4 К176ИЕ12. Если вывод 13 К176ИЕ8 подключить выводу 10 К176ИЕ12, тогда процесс будет измеряться в минутах. В соответствии с этим 9 единиц времени (мин. либо сек.) будет зарядка, а 1 единицу времени зарядка отсутствует. Именно в этот момент времени компаратор (схема не показана из-за простоты) сравнивает напряжение на аккумуляторе с образцовым (14.2 В) и при превышении последнего отключает зарядное устройство. Соединив между собой Упр.А1 на рис.1 и рис.2, а с Упр.А2 на рис.2 подать питание на компаратор, получим вариант зарядного устройства.
Если необходима тренировка аккумулятора, то добавив схему генератора тока разрядки (рис. 3), можно будет заряжать и разряжать аккумулятор необходимыми и регулируемыми токами.

В схеме генератора тока разрядки в качестве ОУ применен К140УД17, т.к. он допускает питание низкими напряжениями (от аккумулятора). Ток регулируется от 0 до 0.6В.
В Интернете советуют при тренировке аккумуляторов выставлять зарядный ток величиной 1/10 емкости его, а при разрядке — 1/100 емкости при соотношении длительности зарядки к разрядки как 10 : 1. Наш узел управления дает примерно такое же соотношение по времени 9 : 1.
Теперь, соединив выход генератора тока зарядки со входом генератора тока разрядки, а затем, соблюдая полярность, с клеммами аккумулятора, получим схему тренировочного устройства для аккумулятора (не забывая соединить Упр.А1 и Упр.А2 между соответствующим генератором и узлом управления). Вот собственно и все, чем хотелось поделиться.
Остался не решенный автором следующий вопрос. Во время цикла зарядки истинное значение напряжения на клеммах аккумулятора меньше приложенного, а при разрядке, соответственно меньше (имеется в виду процесс тренировки). Было бы целесообразно выделить между циклом зарядки и разрядки короткий промежуток времени, в который можно измерить на клеммах аккумулятора истинное значение напряжения и принять на основании этого решение о продолжении процесса тренировки либо его остановке. Можно это сделать, используя микросхемы серии 176, но уж больно не хочется городить огород.

Вопросы, как обычно, складываем тут.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Генератор тока на полевом транзисторе.

Генератор тока на полевом транзисторе.

     Простой генератор тока на полевом транзисторе. Применение генератора тока на полевом транзисторе на практике. Дополнительный материал к статье «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения»

     ***

     Часто на мою предыдущую статью о генераторах тока посетители приходят по запросу «генератор тока на полевом транзисторе». Так как там ничего об этом не говорится я решил восполнить этот пробел данной статьёй.

     Здесь расскажу об одной, но очень привлекательной схеме генератора тока на полевом транзисторе КП303. Но сначала рассмотрим, что из себя представляет этот транзистор.

     Полевые транзисторы серии КП303(А-И) это кремниевые эпитаксиально-планарные полевые транзисторы с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа. Или их ещё называют полевыми транзисторами со встроенным n-каналом.

     Буква n означает что управление током через канал, то есть током протекающем от стока к истоку, осуществляется подачей отрицательного напряжения на затвор относительно истока, Рис. 1(а).

Рис. 1

     В этом смысле принцип работы эпитаксиально-планарных полевых транзисторов, т.е. полевых транзисторов со встроенным каналом аналогично работе электронной (радио) лампе, Рис. 1(б)

     Приблизительная зависимость тока стока (Iс) от Uзи для транзистора КП303И показана на графике, Рис. 2.

Рис. 2

     Для простоты ток Iси буду обозначать как ток стока Iс, так как это одно и тоже.

     Из графика видно, что при Uзи = 0, Iс = max.

     Минимума ток стока достигает при Uзи равном приблизительно минус 1,4В. На самом деле из-за большого разброса характеристик график лишь приблизительно отображает зависимость Ic от Uзи.

     Подавать положительный потенциал на затвор бессмысленно так как при Uзи = 0 транзистор, итак, открыт полностью.

     Вообще эквивалентную схему транзистора КП303 можно представить так как это показано на Рис. 3. Сопротивление переменного резистора R1 — десятки МОм, резистора R2 около 1кОм,.

Рис. 3

     Тогда, когда напряжение Uзи = 0 ползунок резистора R1 находится в нижнем положении, ток Iс будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / R2.

     То есть ток будет максимальным, но не бесконечным.

     Тогда, когда отрицательное напряжение на затворе достигнет некоторого максимума, ползунок резистора R1 окажется в верхнем положении и ток стока будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / (R1 + R2).

     То есть ток будет минимальным, но не нулевым.

     Такая зависимость тока стока от напряжения на затворе позволяет сделать очень простой генератор тока на полевом транзисторе КП303. Соберём такую схему, Рис. 4.

Рис. 4

     Подключим к клеммам 1-2 регулируемый источник напряжения. Начнём увеличивать напряжение от нуля. Изначально ток стока и ток через резистор равны нулю. Падение напряжения на резисторе также равно нулю, Uзи = 0. Транзистор полностью открыт.

     Повышение напряжения на клеммах приведёт к протеканию тока через транзистор и резистор. Появится некоторое падение напряжения на резисторе, при этом минус этого напряжения приложен к затвору, а плюс к истоку. Чем больше ток будет протекать через резистор, тем больший запирающий потенциал будет на затворе.

     В конце концов схема войдёт в режим стабилизации тока так как попытка увеличения тока приводит к увеличению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к уменьшению тока. А попытка уменьшения тока к уменьшению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к увеличению тока. Изменяя величину резистора, можно изменять величину стабилизируемого тока.

     Схема собранная на транзисторе КП303И имеет максимальное рабочее напряжение 30В. Ток стабилизации единицы миллиампер. Недостаток схемы в том, что из-за большого разброса характеристик транзисторов невозможен какой-либо осмысленный расчёт.

     Но в этом нет большой беды. Зачастую расчёт и не нужен. Там, где нужен просто простой и стабильный источник тока, генератор тока. К тому же такой генератор тока не требует дополнительного источника питания. Такая схема очень хороша в генераторах пилообразного напряжения для получения высокой линейности пилы.

     Дело в том, что в обычных, не лабораторных генераторах пилообразного или треугольного напряжения используется принцип заряда-разряда конденсатора. Если этот самый заряд-разряд производить через резистор, то напряжение на конденсаторе будет изменяться по экспоненте. Если вместо резистора включить источник (генератор) тока, то напряжение будет изменяться строго по прямой линии.

     Есть у этой схемы ещё одно достоинство. Её можно использовать для стабилизации тока в цепи переменного напряжения, для этого схему изображённую на Рис. 4 нужно включить в диагональ диодного моста, Рис 5.

Рис. 5

     В этой схеме полярность приложенного напряжения не важна. Именно такую схему генератора тока я применил в двухканальном прецизионном генераторе треугольного напряжения ШИМ-модулятора электронной нагрузки, описанной в статье «Импульсная электронная нагрузка».

2.06. Транзисторный источник тока

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Рис. 2.20.

Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20. При условии что R_н » R (иными словами, U_н » U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U/R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что U_конд » U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RC-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока который бы обеспечивал точность 1% в диапазоне изменения напряжения на нагрузке от 0 до +10 В. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?

Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?

Рис. 2.21. Транзисторный источник тока: основная идея.

Какая мощность передается нагрузке? Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21). Работает он следующим образом: напряжение на базе U_б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U_э = U_б — 0,6 В. В связи с этим I_э = U_э/R_э = (U_э — 0,6/R_э. Так как для больших значений коэффициента h_21эI_э ≈ I_к, то I_к ≅ (U_б — 0,6 В)/R_э независимо от напряжения U_к до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (U_к > U_э + 0.2 В).

Смешение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h_21эR_э. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания U_кк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22,6) транзистор p-n-p — типа питает током заземленную нагрузку (он — источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n-р-n — типа.) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую-либо точку схемы, то это источник, и наоборот]. В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ≅100кОм (для h_21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, — этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно + 5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем. чтобы не возник пробой транзистора (напряжение U_кэ не должно превышать значение U_кэпроб — напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения I_кU_кэ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n-р-n — типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения U_б, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала u_вх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения, т.е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (R_экв

1. При заданном токе коллектора и напряжение U_бэ, и коэффициент h_21э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмиттер. Изменение напряжения U_бэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента h_21э приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как I_к = I_э — I_б; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смешения, обусловленного изменениями коэффициента h_21э (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.22, a, составляет приблизительно 0,5% для транзистора типа 2N3565. В частности, при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В эффект Эрли обусловливает изменение тока на 0,5%, а нагрев транзистора — на 0,2%. Изменение коэффициента вносит дополнительный вклад в изменение выходного тока — 0,05% (для жесткого делителя напряжения). Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.

2. Напряжение U_бэ и коэффициент h_21э зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения и U_бэ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.23. В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т₂ компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т₁ который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R₃ играет роль нагрузки для Т₁, необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т₂.

Рис. 2.23. Один из методов температурной компенсации источника тока.

Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения U_бэ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения U_бэ (эффект Эрли оценивается величиной ΔU_бэ ≈ -0,001 ΔU_кэ), можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения U_бэ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если U_э = 0,1В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения U_бэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же U_э = 1,0 В, то такое же изменение U_бэ вызывает изменение тока на 1%. Однако, не стоит заходить слишком далеко. Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от U_э + 0,2 В до U_кк, т. е. от 5,2 до 10 В).

Рис. 2.24. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

На рис. 2.24 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока. Источник тока Т₁ работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т₂. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т₂) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения h_21э). В этой схеме напряжение U_кэ (дая Т₁) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения U_бэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. (Кстати, эту схему используют в высокочастотных усилителях, где она известна под названием «каскод»). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь, и в которых также решена задача устранения влияния изменений U_бэ на выходной ток.

Влияние коэффициента h_21э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h_21э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

Рис. 2.25. Транзисторный источник тока с использованием напряжения U_бэ в качестве опорного.

На рис 2.25 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение U_бэ транзистора Т₁, падая на резисторе R₁, определяет выходной ток независимо от напряжения U_кк

U_вых = U_бэ/R2U₂.

С помощью резистора R₁ устанавливается смещение транзистора Т₂ и потенциал коллектора Т₁, причем этот потенциал меньше, чем напряжение U_кк, на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на R₂ уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока 0,3%/°С).

Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем

схема, как устроен и как работает, преимущества и недостатки

Когда-то генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую, были единственными источниками электроэнергии. На сегодня чаще всего используются надежные трехфазные преобразователи переменного тока. Но в некоторых отраслях постоянный ток был регулярно востребован, поэтому устройства для выработки последнего неизменно совершенствовались.

Как работает

Функционирование генератора основывается на свойствах, которые следуют из известного закона электромагнитной индукции. Когда замкнутый контур разместить между полюсами магнита (постоянного), то в условиях вращения он будет проходить через магнитный поток. Во время перехода вырабатывается электродвижущая сила, возрастающая при приближении к полюсу. В случае, если присоединить нагрузку, то образуется поток тока. Когда витки рамки будут выходить из области воздействия магнита, то ЭДС будет уменьшаться и достигнет нуля при горизонтальном положении рамки. При дальнейшем вращении противолежащие контурные части изменят магнитную полярность.

Альтернатор постоянного тока

Значения ЭДС в активных обмотках контура вычисляются по формулах: е1= В I v sin wt, е2= — В I v sin wt, где I — длинна одной стороны рамки, В — магнитная индукция, v — скорость вращения (линейная) контура, t — время, wt — угол пересечения магнитного потока рамкой.

Направление тока меняется в период смены полюсов. Поскольку вращение коллектора происходит одновременно с рамой, то электроток на нагрузке имеет одинаковое направление. Такая схема лежит в основе выработки постоянного электричества. Суммарная ЭДС будет иметь следующий вид: е= 2В I v sin wt.

Принцип действия генератора

Такой ток почти непригоден для применения, поскольку присутствуют пульсации ЭДС. Последние надо уменьшать к допустимому уровню. Для этой цели применяют много магнитных полюсов, рамки заменяют якорями, у которых намного больше обмоток и коллекторов. К тому же, соединение обмоток выполняется разными методами.

Якорь

Ротор производится из стали. В пазы на сердечниках укладываются витки провода, которые составляют рабочую обмотку якоря. Проводники соединяют последовательно. Они образуют секции, создающие замкнутую цепь.

Интересно! Для процесса генерации неважно: вращаются обмотки контура или магнит. По этой причине роторы для маломощных альтернаторов изготавливают из постоянных магнитов, а переменный ток выпрямляют при помощи диодных мостов или иными схемами.

Узнать, из чего состоит генератор постоянного тока, поможет картинка 4.

Устройство машины постоянного тока

Установка состоит из главных узлов:

• неподвижная часть — главные и дополнительные полюса, станина;
• вращающаяся часть (якорь) — стальной сердечник, коллектор.

В процессе работы установки ток проводится сквозь обмотку и образуется магнитный поток полюсов. Специальные неподвижные щетки (из сплава графита) способствуют объединению обеих частей генератора в единую цепь.

Устройство и принцип действия генератора постоянного тока за долгий период применения остались прежними, несмотря на некоторые совершенствования.

Классификация

Существуют генераторы постоянного тока с независимым возбуждением обмоток, с самовозбуждением. Последние модели используют электричество, которое ими же вырабатывается. По способу объединения обмоток якорей альтернаторы делят на устройства с возбуждением следующих типов:

• смешанным;
• параллельным;
• последовательным.

Схема генератора постоянного тока представлена на картинке 5.

Схемы альтернатора 

С параллельным возбуждением

Чтобы электроприборы работали в нормальном режиме, необходимо стабильное напряжение, которое не зависит от изменений в общей нагрузке. Эта проблема решается методом настройки параметров возбуждения. В таких генераторах катушка подключена (через реостат) параллельно обмотке якоря. Реостат может замыкают обмотку. В противном случае при разъединении цепи возбуждения внезапно повысится ЭДС самоиндукции, что может повредить изоляционный материал. В состоянии непродолжительного замыкания энергия превращается в тепловую, чем предотвращается разрушение устройства.

Электромашины с возбуждением такого вида не требуют внешнего источника питания. Самовозбуждение обмоток происходит под действием остаточного магнетизма в сердечнике магнита. Последние, для улучшения описанного процесса, производят из стали. Самовозбуждение длится до тех пор, пока ток не станет максимальным, а электродвижущая сила не покажет номинальное значение.

Преимущество вышеописанных электрогенераторов в том, что на них почти не влияют электротоки при коротком замыкании.

С независимым возбуждением

Источниками питания для обмоток нередко стают аккумуляторы или же иные устройства. В машинах с малой мощностью применяются постоянные магниты, обеспечивающие присутствие главного магнитного потока. На валу альтернатора располагают микрогенератор (возбудитель), который вырабатывает электроток для возбуждения якорных обмоток. Для этой цели необходимо от 1 до 3 % номинального тока якоря. Изменение электродвижущей силы выполняется регулирующим реостатом.

Достоинство: на возбуждающий ток не имеет воздействия напряжение на зажимах.

С последовательным возбуждением

Последовательными обмотками вырабатывается ток, который равняется электротоку альтернатора. В случае холостого хода отсутствует нагрузка, поэтому возбуждение нулевое. Это обозначает, что регулировочные свойства не существуют.

В агрегате с последовательным возбуждением почти нет тока, если ротор вращается на холостых оборотах. Чтобы запустить возбуждение, требуется подключение нагрузки к зажимам устройства. Явная связанность напряжения с нагрузкой считается огромным минусом последовательных обмоток. Подобные агрегаты используются лишь для питания электрических приборов, у которых нагрузка постоянная.

Со смешанным возбуждением

Самые лучшие свойства собраны в конструкции агрегатов со смешанным возбуждением. Особенность устройств в том, что они состоят из двух катушек:

• основная — подключена параллельным способом к обмоткам якоря;
• вспомогательная — подключена последовательным способом.

В цепи основной присутствует реостат, который регулирует ток возбуждения. Процедура самовозбуждения генератора со смешанным типом такая же, как у агрегата с параллельными обмотками (в самовозбуждении не принимает участия последовательная обмотка, так как отсутствует исходный ток). А свойства холостого хода идентичны характеристикам генератору с параллельной обмоткой. Такие особенности разрешают настраивать напряжение на зажимах устройства.

Технические параметры

Работа генератора определяется зависимостью между основными величинами, которые являются его главными характеристиками:

• отношения между величинами на холостом ходу;
• внешние параметры;
• регулировочные значения.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока крайне важна, так как раскрывает взаимосвязь напряжения и нагрузки. Она отображена на графике. Согласно последнего наблюдается незначительное уменьшение напряжения, но оно почти не зависит от нагрузочного тока (если сохраняется скорость оборотов двигателя).

Внешняя характеристика ГПТ

В устройствах с параллельным возбуждением больше выражено влияние нагрузки на напряжение. Это объясняется уменьшением тока в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее будет уменьшаться напряжение на зажимах агрегата.

Свойства ГПТ с параллельным возбуждением

Если увеличить величину тока при последовательном возбуждении, то вырастет ЭДС. Но напряжение не достигнет высокого значения электродвижущей силы, так как часть энергии уйдет на потери от вихревых токов.

Свойства ГПТ с последовательным возбуждением

При достижении напряжением максимального значения и одновременным увеличением нагрузки, первое начинает стремительно снижаться в то время, как кривая электродвижущей силы продолжает подниматься. Это считается большим недостатком, ограничивающим использование генератора такого типа.

В устройствах со смешанным возбуждением предвиденные встречные подключения обеих катушек. Конечная сила при однонаправленном подключении равняется сумме векторов намагничивающих сил, при встречном — их разнице.

При равномерном увеличении нагрузки напряжение на зажимах почти не меняется. Оно будет расти лишь тогда, если число проводов последовательной обмотки превышает число витков, которое соответствует номинальному возбуждению якоря.

Свойства ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением применяются в том случае, если нужно ограничить токи короткого замыкания. К примеру, при подсоединении аппаратов для сварки.

КПД

Важной характеристикой генератора считается его КПД — соотношение полезной и полной мощности: η = P 2 / P1. При холостом ходе такое отношение равно нулю (η=0). При номинальных нагрузках КПД достигнет максимального значения. Мощные агрегаты имеют коэффициент полезного действия около 90 %.

КПД

ЭДС

Электродвижущая сила (ее значение) пропорциональна магнитному потоку, числу проводников (активных) в обмотках, частоте вращения якоря. Если менять последние параметры, то можно легко управлять значением ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Нужный результат достигается методом изменения частоты вращения якоря.

Мощность

Выделяют полезную и полную мощности устройства. При постоянной электродвижущей силе полная мощность находится в прямо пропорциональной зависимости от тока: P=EIa. Полезная, которая отдается в цепь, Р1=UI.

Реакция якоря

Если к альтернатору подключить внешнюю нагрузку, то электротоки его обмотки создадут магнитное поле. Тогда возникнет сопротивление полей якоря и статора. Поле будет самым сильным в тех местах, где ротор приближается к магнитным полюсам, очень слабым — в точках максимального удаления. Ротор чувствует магнитное насыщение стальных катушечных сердечников. Сила реакции напрямую зависит от насыщенности в проводах. В результате на пластинках коллекторов будет происходить искрение щеток.

Реакция ротора

Уменьшение реакции достигается при использовании восполняющих магнитных полюсов или передвижением щеток с линии оси.

Где используются

Еще совсем недавно генераторы постоянного тока устанавливались на транспорте для железных дорог. Но сейчас их вытесняют синхронные трехфазные устройства. Переменный ток синхронных агрегатов выпрямляют полупроводниковыми установками. Некоторые новые локомотивы используют асинхронные двигатели, которые работают на переменном токе.

Применение ГПТ

Такие же обстоятельства и с автогенераторами, которые постепенно замещают асинхронными устройствами с дальнейшим выпрямлением.

Сварочный генератор

Стоит заметить, что передвижное оборудование для сварки (имеющие автономное питание) обычно находится в паре с таким генератором. Отдельные отрасли промышленности продолжают применять мощные агрегаты описанного типа.

Ток короткого замыкания генератора | GoHz.com

Допущение: Генератор Xd » = 0,20, Xs = 1,5 о.е.
Итак, вообще говоря, если мы говорим о неисправности шины на клеммах генератора, мы говорим, что ток повреждения = 1 (о.е. напряжение) /0.20= 5 о.е. Аналогично ток короткого замыкания примерно через 5 секунд = 1 / (1,5) = 0,66 о.е.

1) Проблема заключается в том, что предполагаемое напряжение 1 о.е. является напряжением на клеммах холостого хода генератора. Таким образом, внутреннее напряжение, генерируемое машиной, равно 1+ (ток якоря (вектор) * реактивное сопротивление (вектор)).Это значение в 1,5–2 раза превышает напряжение на клеммах. Все реактивные сопротивления, такие как субпереходные, переходные, синхронные, соответствуют внутреннему напряжению машины. Таким образом, это неправильное предположение о вычислении тока короткого замыкания, предполагающее, что напряжение 1 о.е. является допустимым (определенно не точным), поскольку внутреннее напряжение заметно выше, чем напряжение на клеммах. Например, 1,5 / 0,20 = 7,5 о.е. на 30% выше, чем ток повреждения, рассчитанный выше.

2) В популярном программном пакете, таком как Aspen, в диалоговом окне параметров генератора есть поле, называемое внутренним напряжением.Но если у меня есть только шины и линии и нет смоделированных нагрузок и, следовательно, решение потока нагрузки, я вынужден использовать напряжение 1 о.е., поскольку я не могу найти внутреннее напряжение машины?

Анализ игнорирует тот факт, что короткое замыкание на клеммах машины приводит к нулевому напряжению на клеммах, а не к внутреннему напряжению плюс падение напряжения на внутреннем импедансе, что ближе к анализу машины, работающей на полной мощности. нагрузка, питающая короткое замыкание через импедансы, такие как трансформаторы и линии передачи.

Еще одна вещь, которую следует учитывать, — если машина находится под ручным управлением напряжением (обычное предположение для эквивалентной модели Thevenin используемой машины), как может внутреннее напряжение машины повышаться при фиксированном напряжении / токе возбуждения? и не меняется на протяжении всего времени неисправности.

Даже если АРН находился в эксплуатации, постоянная времени ротора (тау) достаточно велика (порядка 1-10 секунд для более крупных машин), так что изменение тока возбуждения (если таковое имеется) будет незначительным в течение всего времени. времени до того, как защитное реле устранит неисправность и / или отключит агрегат.

При использовании внутреннего напряжения 1 о.е. предполагается, что генератор не нагружается непосредственно перед коротким замыканием. Поскольку не будет протекания тока и падения напряжения на внутреннем импедансе генератора, внутреннее напряжение будет равно напряжению на клеммах. Максимальное падение напряжения по импедансу генератора произойдет при полной нагрузке, это напряжение, добавленное к напряжению на клеммах, дает вам внутреннее напряжение и короткое замыкание при максимальном номинальном возбуждении.

Однако имейте в виду, что максимальное начальное короткое замыкание является функцией субпереходного импеданса, который зависит от конструкции демпферных обмоток генератора.Когда субпереходный процесс спал, управление возбуждением уже возвращается в исходное положение. Короткое замыкание рядом с генератором имеет небольшую реальную мощность и имеет высокую реактивность, и то и другое является причиной снижения системой возбуждения напряжения на клеммах.

.

Калькулятор тока короткого замыкания генератора

Вычисляет ток короткого замыкания трехфазного генератора переменного тока.

Калькулятор тока короткого замыкания генератора использует упрощенный метод расчета тока короткого замыкания по следующим параметрам:

• Номинальная (ур.) . Номинальное линейное напряжение генератора в В.
• Рейтинг (Sr). Номинальная мощность генератора в кВА.
• Импеданс (Zk) .Импеданс короткого замыкания генератора в процентах. Импеданс короткого замыкания можно указать для субпереходной, переходной или установившейся фазы повреждения генератора. Для упрощения сопротивлением можно пренебречь и учитывать только реактивное сопротивление. Типичные значения реактивного сопротивления показаны ниже.

Фаза	Уравнение	Типичное реактивное сопротивление (%)	Типовое время
Переходный процесс		10–20%	10 мс
Переходный		15–25%	250 мс
Устойчивое состояние		200 — 350%	> 250 мс

Ток короткого замыкания генератора рассчитывается следующим образом:

\ (I_ {фактическая ошибка} = \ dfrac {S_ {r} \ times 100} {\ sqrt {3} \ times U_ {r} \ times Z _ {\%}} \)

Где,

• \ (I_ {fault-actual} \) — ток повреждения в кА.
• \ (S_ {r} \) — номинальная мощность генератора в кВА.
• \ (U_ {r} \) — номинальное напряжение генератора в В.
• \ (Z _ {\%} \) — импеданс генератора в базовых процентах.

Это в основном комбинация шагов метода расчета на единицу:

Шаг 1: Рассчитайте ток короткого замыкания на единицу:

\ (I_ {fault-pu} = \ dfrac {1} {Z_ {pu}} \)

Обратите внимание, что \ (Z_ {pu} = \ dfrac {Z _ {\%}} {100} \)

Шаг 2: Рассчитайте номинальный базовый ток:

\ (I_ {nominal-base} = \ dfrac {S_r} {\ sqrt {3} \ times U_r} \)

Шаг 3: Рассчитайте фактический ток повреждения:

\ (I_ {ошибка-фактическая} = I_ {ошибка-pu} \ раз I_ {номинальная-база} \) .

Защита генератора — Руководство по электрическому монтажу

На рисунке N2 ниже показаны параметры электрических параметров генераторной установки. Pn, Un и In — соответственно мощность теплового двигателя, номинальное напряжение и номинальный ток генератора.

Рис. N2 — Блок-схема генераторной установки

Защита от перегрузки

Кривая защиты генератора должна быть проанализирована (см. Рис. N3).

Стандарты и требования приложений могут также устанавливать особые условия перегрузки.Например:

В / В	т
1,1	> 1 ч
1,5	30 с

Возможности настройки устройств защиты от перегрузки (или длительной задержки) будут точно соответствовать этим требованиям.

Примечание по перегрузкам

• По экономическим причинам тепловой двигатель запасного комплекта может быть рассчитан строго на его номинальную мощность. В случае перегрузки по активной мощности дизельный двигатель заглохнет.Это необходимо учитывать при балансе активной мощности приоритетных нагрузок.
• Производственный комплект должен выдерживать рабочие перегрузки:
  • Перегрузка на один час
  • Один час 10% перегрузка каждые 12 часов (основная мощность)

Рис. N3 — Пример кривой перегрузки t = f (I / In)

Защита от короткого замыкания

Включение тока короткого замыкания

Ток короткого замыкания складывается из:

• Апериодического тока
• Из затухающего синусоидального тока

Уравнение тока короткого замыкания показывает, что оно состоит из трех последовательных фаз (см. Рис. N4).

Рис. N4 — Уровень тока короткого замыкания в течение 3 фаз

Субпереходная фаза

Когда на клеммах генератора возникает короткое замыкание, в течение первого цикла (от 0 до 20 мс) сначала создается ток с относительно высоким значением от 6 до 12 In.

Амплитуда выходного тока короткого замыкания определяется тремя параметрами:

• Субпереходное реактивное сопротивление генератора
• Уровень возбуждения до момента неисправности и
• Импеданс неисправной цепи.{»} d} {100 \, S}} \;}

  где

  S = 3UnIn {\ displaystyle S = {\ sqrt {3}} \, Un \, In}

  Переходная фаза

  Переходная фаза устанавливается через 100–500 мс после времени повреждения. Начиная со значения тока короткого замыкания в субпереходном периоде, ток падает до 1,5–2-кратного значения тока In.

  Импедансом короткого замыкания, который следует учитывать в этот период, является переходное реактивное сопротивление x’d, выраженное производителем в%. Типичное значение составляет от 20 до 30%.

  Стационарная фаза

  Устойчивое состояние наступает через 500 мсек. Когда неисправность сохраняется, выходное напряжение падает, и регулировка возбудителя пытается поднять это выходное напряжение. Результат — стабилизированный устойчивый ток короткого замыкания:

  • Если возбуждение генератора не увеличивается во время короткого замыкания (нет перевозбуждения поля), но поддерживается на уровне, предшествующем повреждению, ток стабилизируется на значении, которое задается синхронным реактивным сопротивлением Xd генератора.Типичное значение xd больше 200%. Следовательно, конечный ток будет меньше, чем ток полной нагрузки генератора, обычно около 0,5 In.
  • Если генератор оснащен максимальным возбуждением поля (подавление поля) или составным возбуждением, «импульсное» напряжение возбуждения приведет к увеличению тока короткого замыкания в течение 10 секунд, обычно в 2–3 раза превышающего ток полной нагрузки генератора.

  Расчет тока короткого замыкания

  Производители обычно указывают значения импеданса и постоянные времени, необходимые для анализа работы в переходных или установившихся режимах (см. Рис. N5).

  Рис. N5 — Пример таблицы импеданса (в%)

  (кВА)	75	200	400	800	1,600	2,500
  x ”d	10,5	10,4	12,9	10,5	18,8	19,1
  x’d	21	15,6	19,4	18	33.8	30,2
  xd	280	291	358	280	404	292

  Сопротивления всегда незначительны по сравнению с реактивными сопротивлениями. Параметры для исследования тока короткого замыкания:

  • Значение тока короткого замыкания на клеммах генератора

  Амплитуда тока короткого замыкания в переходных условиях согласно CLC / TR 50480 ^[1] составляет:

  Isc3 = UnX′d⋅13 {\ displaystyle Isc3 = {\ frac {Un} {X ^ {‘} d}} \ cdot {\ frac {1} {\ sqrt {3}}}} (X’d в омах)

  или

  Isc3 = Inx′d⋅100 {\ displaystyle Isc3 = {\ frac {In} {x ^ {‘} d}} \ cdot 100} (x’d в%)

  Un — межфазное выходное напряжение генератора.

  Примечание : Это значение можно сравнить с током короткого замыкания на выводах трансформатора. Таким образом, при той же мощности токи в случае короткого замыкания вблизи генератора будут в 5-6 раз слабее, чем токи, которые могут возникнуть в трансформаторе (основном источнике).

  Эта разница еще больше усиливается тем фактом, что мощность генераторной установки обычно меньше, чем у трансформатора (см. Рис. N6).

  

  Рис. N6 — Пример распределительного щита приоритетных служб, питаемого (в аварийной ситуации) от резервной генераторной установки

  Когда сеть НН питается от основного источника 1 мощностью 2 000 кВА, ток короткого замыкания составляет 42 кА на шине главной платы НН.Европейский технический отчет CLC / TR 50480 «Определение площади поперечного сечения проводов и выбор защитных устройств» предлагает этот тип расчета размеров и защиты кабеля в соответствии с IEC 60364-4-43.
  Обратите внимание, что правильный метод должен быть выбран в соответствии с целью расчета: первая пиковая оценка электродинамической стойкости или включающей способности, среднеквадратичное значение первого периода для отключающей способности устройства защиты от перегрузки по току, установившийся ток для расчета минимального замыкания на землю …

.

Что такое генератор временной развертки? — Определение и принципиальная схема

Определение: Генератор, который используется для генерации линейного переменного напряжения относительно времени, известен как генератор временной развертки. Эти волны используются в электронно-лучевой трубке для отклонения луча в горизонтальном направлении. Генератор временной развертки также используется в радиолокационной системе для определения дальности до цели.

Осциллограф использует сигнал, изменяющийся во времени.Для точного воспроизведения формы волны она должна иметь постоянную горизонтальную скорость. Скорость работает с отклоняющим напряжением, линейно возрастающим со временем. Напряжение, имеющее такую ​​характеристику, называется линейным напряжением. Пилообразный сигнал возникает, когда сигнал быстро стремится к нулю.



Рисунок пилообразной формы волны показан выше. Время развертки T _с — это время, за которое напряжение растет линейно. T _s перемещается слева направо по экрану ЭЛТ.Время восстановления или обратного хода T _r — это время, необходимое сигналу для возврата в исходное положение. Время восстановления всегда меньше, чем время развертки. Пилообразная форма волны получается, когда время обратного хода становится равным нулю.

Скорость развертки пилообразных волн зависит от конденсатора, используемого в схеме. Скорость развертки контролируется резистором, включенным в схему. Рассмотрим простую схему развертки, в которой конденсатор C заряжается через резистор R. Конденсатор периодически разряжается через транзистор Q ₁

Схема генератора временной развертки

Резистор переменный R.заряжает конденсатор в цепи. Конденсатор разряжается через транзистор Q ₁ . Заряд и разряд конденсатора генерируют сигнал, показанный на рисунке ниже.

Транзистор Q ₁ включается с помощью входного сигнала V _i . Транзистор обеспечивает низкое сопротивление, через которое конденсатор становится разряженным.

Если транзистор не включен, конденсатор будет заряжаться экспоненциально до напряжения питания V _cc в соответствии с уравнением.

Где, Vo = мгновенное напряжение на конденсаторе в момент времени t
В _cc = напряжение питания
T = интересующее время
R = значение последовательного резистора
C = значение конденсатора

Мгновенное напряжение и напряжение питания измеряются в вольтах, время измеряется в секундах, сопротивление измеряется в омах, а конденсатор измеряется в фарадах.

.